變速箱齒輪隔墊變形研究與優化

王嘉 路成帥

摘要：變速箱輸出軸上的齒輪隔墊受軸向壓力變形過大時會造成燒蝕等故障。必須研究齒輪隔墊在受到軸向力時的變形情況。本文研究了受到不同軸向壓力時齒輪隔墊的變形量，通過有限元分析和試驗測量得到最大變形量值，對比了兩種方法得到數據的一致性，驗證了法蘭盤固定螺栓擰緊扭矩值的合理性。本文對比了不同齒輪擋板結構對齒輪隔墊變形的影響，通過有限元分析和試驗測量分別得到兩種齒輪擋板結構下的齒輪隔墊的變形量，優化了變速箱輸出端結構。

關鍵詞：變速箱齒輪隔墊變形

變速箱輸出軸上各檔位齒輪在軸上平行排布，通過齒輪兩側的齒輪隔墊來限定齒輪的軸向位置。為了保證齒輪能正常轉動，必須讓齒輪與齒輪隔墊之間有合適的間隙，又不能讓間隙過大使齒輪在軸向上攢動量過大。當變速箱法蘭盤在其固定螺栓擰緊時，變速箱后端的齒輪隔墊會受到法蘭盤固定螺栓預緊力造成的軸向壓力，變速箱后端結構如圖1所示。

齒輪隔墊受到軸向壓力后會產生一定的變形，齒輪隔墊變形會影響齒輪與齒輪隔墊之間的正常軸向間隙，變形過大時會造成齒輪和齒輪隔墊燒蝕.隔墊斷裂等故障。所以必須研究齒輪隔墊在受到軸向力時的變形情況。

本文研究了受到不同軸向壓力時齒輪隔墊的變形量，通過有限元分析和試驗測量得到最大變形量值，對比了兩種方法得到數據的一致性，驗證了法蘭盤固定螺栓擰緊扭矩值的合理性。本文對比了不同齒輪擋板結構對齒輪隔墊變形的影響，通過有限元分析和試驗測量分別得到兩種齒輪擋板結構下的齒輪隔墊的變形量，優化了變速箱輸出端結構。

1 軸向壓力下的齒輪隔墊變形量

1.1 有限元分析

齒輪隔墊受到的軸向壓力來自于法蘭盤固定螺栓的預緊力。螺栓預緊力計算公式如下∶

M∶擰緊力矩：

P∶預緊力：

D∶螺栓公稱直徑：

螺栓擰緊力矩M要求在110Nm到150Nm之間，計算出1個螺栓的預緊力P，變速箱法蘭盤由2個螺栓固定，在正常打緊2個螺栓時會產生2P的軸向壓力傳遞到齒輪隔墊上。

利用三維建模軟件Crdo建立變速箱輸出端各零件三維模型，并裝配為輸出軸總成。將三維模型導出為stp格式，導人有限元分析軟件ABA0Us，建立有限元模型。為節約計算資源，對輸出軸三維模型進行了簡化，去掉了與分析無關的結構。齒輪隔墊材料的彈性模量200CP_，泊松比0.3，材料屈服強度764Mp_，抗拉強度1076MP_。考慮材料的非線性特性，使用彈塑性分析，采用雙線性隨動強化算法，切線模量1.45CP_。有限元模型采用四面體網格化分，網格大小設置為2mm，共劃分為38173個節點和20930個網格。

根據實際受力位置在法蘭盤端面施加軸向力，軸向力大小通過螺栓預緊力計算公式得出。通過有限元分析得到擰緊扭矩為110Nm時齒輪隔墊最大變形量0.021mm。

分別加載110Nm到150Nm螺栓擰緊扭矩所產生的軸向壓力，計算得到齒輪隔墊最大變形量如表1所示。

1.2 試驗測量

根據變速箱輸出端的實際結構，裝配變速箱輸出軸后端零件。用扭矩扳手擰緊法蘭盤固定螺栓，分別將法蘭盤固定螺栓擰到指定的扭矩值，用塞尺測量齒輪隔墊的變形量。試驗實測得到齒輪隔墊變形量如表2所示∶

塞尺測量無法精確到小數點后第三位，因為齒輪與齒輪隔墊間隙一般要求在0.2mm～0.4mm之間，精確到小數點后兩位即可滿足研究齒輪隔墊變形量的要求，試驗測量無需精確到第三位，所以用此種試驗方法測量即可。比較有限元分析和試驗實測得到的齒輪隔墊變形量，數據基本一致，誤差在0.005mm以內。

2 結構優化

在變速箱輸出軸后端，齒輪隔墊與齒輪擋板直接相接觸，齒輪擋板結構對齒輪隔墊的變形量有一定的影響。齒輪擋板與齒輪隔墊接觸面內側有一個環槽，環槽區域與齒輪隔墊不接觸。為了減小齒輪隔墊的變形量，需要將齒輪擋板與齒輪隔墊的接觸區域盡量向圓心移動。因此去掉齒輪擋板上的環槽結構之后對齒輪隔墊的變形量是否有改進需要進一步分析研究，原齒輪擋板和改進后的齒輪擋板結構如圖2所示。

圖2原齒輪擋板和改進后的齒輪擋板結構將改進后的齒輪擋板結構重新導人有限元分析軟件ABA0Us建立有限元模型，使用與之前結構相同的分析設置和邊界條件。為節約計算資源，對輸出軸三維模型進行了簡化，去掉了與分析無關的結構。齒輪隔墊材料的彈性模量200CP_，泊松比0.3，材料屈服強度764Mp_，抗拉強度1076MP_。考慮材料的非線性特性，使用彈塑性分析，采用雙線性隨動強化算法，切線模量1.45CP_。有限元模型采用四面體網格，網格大小設置為2mm，共劃分為38294個節點和21038個網格。使用改進后的齒輪擋板結構得到齒輪隔墊的最大變形量如表3所示。

將使用改進后齒輪擋板得到的齒輪隔墊最大變形量與原結構得到的最大變形量做以對比，在相同軸向壓力下齒輪擋板的最大變形量平均減小0.01mm。

3結論

本文通過有限元分析和試驗測量得到齒輪隔墊在不同螺栓擰緊扭矩下的最大變形量值，兩種方法得到最大變形量數據一致。驗證了當螺栓擰緊扭矩在110Nm到150Nm之間時齒輪隔墊的變形量在0.02mm到0.03mm之間。0.02mm到0.03mm的變形量不會影響齒輪兩側正常的軸向間隙，因此不會因齒輪隔墊變形過大造成齒輪燒蝕.隔墊斷裂等故障。

參考文獻：

[1]尹明.鐘毅芳.行星變速箱換檔過程模擬方法研究[J].車輛與動力技術.2017（04）